老虎吃人，探寻纳米材料的奥秘

第一场冬雪刚刚下过，偌大的北京城都笼罩在一片银白之下；一阵阵凛冽的寒风，卷起千堆飞雪，扑打在行人的身上脸上，顿时令人感到寒意俨然。

在某名牌大学的报告厅里，一个学术报告正在进行着。刚踏进大学之门的本科生，初涉科研领域的研究生、博士生，学有所长的老师们，甚至还有不少头发花白、在学术上造诣颇深的老教授，济济一堂，都带着浓厚的兴趣专心致志地听着报告人的讲解。其气氛之热烈，与室外的飞雪寒冬形成了鲜明的对照。

报告人却是一位极年轻的老师。他面前的幻灯投影屏幕上，正映着一幅生动逼真的图画：隔着一堵厚厚的墙，一只大虫正对着一个人咆哮连连，虎视眈眈；奇怪的是厚墙那一面的人好像是给吓破了胆，忘记了厚墙的屏障作用，竟然惊惶失措，拔腿狂奔，汗如雨下。“我们是不是认为这个人胆小如鼠，很有些杞人忧天呢？”报告人的话外音及时地点破了听众们的想法，“不过，你们这么想是因为你们认为这只老虎根本不可能吃到这个人，因为老虎不能越过这墙这个难以逾越的障碍。但是，这个人却不这么认为。他不是一个傻瓜，相反，他是世界上有名的化学家。”幻灯及时地换了一幅画面：“你们看，这是一个化学粒子，它由状态1变到状态2，中间要跨越这个很高的壁垒；而处在状态1这点的粒子显然能量不足，就像老虎不能腾越过那堵墙一样。不过量子理论却告诉我们粒子可以不经过这个壁垒而直接由状态1到状态2，这个几率是存在的，这便是量子的隧道效应。”画面又切换回虎与人的场景：“这位大科学家就是隧道效应理论的发现者，所以他知道老虎不翻越墙而直接穿墙而过来吃他的几率也是存在的，难怪他要逃之夭夭了。”话音未落，全场立即对他精采的演讲报以一阵阵热烈的掌声，大厅里的气氛也更见热烈。

这便是在题为《纳米科技与智能材料》的科学讲座里的一段场景。报告人刘教授虽然是那么年轻，却是我国高科技发展计划——攀登计划B组项目光电智能材料方面的首席科学家，更是这方面的国际知名学者。这次讲座的主题，纳米材料，也在以其在光电、结构、化学等性质方面的日益诱人的特征，成为新兴高科技材料的希望之星。

我们知道，对于人类应用于生产与生活材料的许多固体物质，我们的认识首先是从宏观现象开始的。最先观测到的是物质的硬度、强度等力学性质，于是便有了木材、竹材以及金属材料在机械方面的应用。随着科技的发展，电磁现象、化学反应现象的基本理论为人类所掌握，物质的导电、磁性等新的属性为人类所认识，于是更多的新材料投入应用，电气化时代、信息时代之门也随之为人类开放。现代的材料科学，已经深入到原子、分子的层次，用原子结构、晶体结构和化学键理论来阐明各种物质的物理属性和微观结构之间的关系，从而新一代的功能材料也随之诞生。不过，近年的研究发现，在物质的宏观固体（大于1um 微米即大于10－6m）与微观原子分子（小于1A 即小于10－30m）之间，还存在着一些介观的层次，如介观（100nm~1μm 即10－7~10－6m）、纳米（1nm~100nm 即10－9m~10－7m）、团族（1A~1nm 即10－10m~10－9m）等，这些层次对材料的物理性质起着决定性的作用。尤其引人注目的是，微观体系只包含单个或几个分子，属量子化学的研究范畴。宏观体系包含无限的原子和分子群体，表现出的是化学统计热力学性质。唯有以纳米为代表的几种介观体系层次，物质的尺寸既不太大也不太小，所包含的原子分子数既不太多也不太少，粒子的运动速度既不太快也不太慢。这些由有限分子组装起来的集合体，决定着物质的性质。它所表现出来的物理性质和宏观的材料迥然不同，具有奇特的光学、电学、磁学、热学、力学和化学性质：

普通的铁块已经难以压断，可纳米铁的抗断裂能力比它还强12倍。就算你能折断手腕粗的普通铁棒，你也折不断一根拇指粗的纳米铁条；

普通金块要1063℃才溶化，普通银块要960．8℃才熔化，而纳米金在330℃就化为液体，纳米银在100℃就再也保持不住它的棱角；

纳米TiO2在200℃就可以转变为高温的盒红石结构。纳米Si3N4的强压电效应是普通材料的4倍。(www.xing528.com)

这一系列诱人的性质，令材料化学家们欣喜异常：在纳米尺寸范围内对物质进行研究和应用的纳米科技，不正是使人类认识和改造物质的手段直接延伸到原子了么？直接对原子或分子进行加工让它们听从摆布，不是可以将它们组装成具有特定功能结构的特种材料吗？

在沸石分子筛的硅铝酸盐晶体里，有无数微形孔穴，其尺寸便是纳米级的。如果利用某种途径将具有某种特殊光、电、磁性质的化学物质沉积在这些小笼子里，那便形成了纳米级的超级微米晶体，且将具有更为特殊的物理性能。利用这种微孔晶体和纳米技术，科学家们已经制得了纳米结构的多孔硅。在室温下，以一定的光线照射这种多孔硅，它便会像月亮那样放射出夺目的光辉，整个晶体显得晶莹剔透，光彩照人。这一发现引起了国际轰动，从此纳米半导体技术和硅基发光技术便在这基础上迅速地发展了起来。另外，科学家们还制成了光敏化的纳米结构TiO2膜，可用于制备光电电池，把光能转化为电能的效率高达10%~12%，从而在硅太阳能电池中取代了晶体硅，取得了突破性的高效益。

在催化体系中，催化剂若有更大的活性表面积，则与反应体系中分子的接触点就越多，因而催化效率就越高。因此，制备更细颗粒的催化剂或制备孔隙更多的催化剂一直是解决催化效率问题的重点所在。利用表面活性剂的分子有序组合体所形成的微型乳粒，科学家们制得了3~5nm 的超细纳米级铂（Pt）、钯（Pd）、铱（Ir）、铑（Rh）等金属微粒，从而使它们用作催化剂时有效活化面积大大增加，获得极高的催化活性，将在石油化工等众多产业中大展身手。

当然，最为诱人的莫过于直接对物质的原子或分子进行“操作”了。用一种神奇的机器来“搬动”一个个原子，我们可以充分发挥人类的想象力，来写世界上最小的字，画世界上最小的画。这不真是太奇妙了吗？想一想，几个原子就可以排列成一个笔划甚至是一个字，那该是多小多小的字啊！还有，把不同的原子有序地排列在一起，就是一幅层次分明的图画，甚至还是立体的呢！再想一想，像纳米尺寸这么小的字和画，在哪怕是1cm2这么小的面积上可以“书写”多少内容啊，那我们若把这种材料作成电脑的存储器，那不是一种超高密度的新型存储材料么？这种存储材料只怕会比普通的磁盘高上万倍甚至上百万倍，纳米科技的发展，特别是纳米材料，在这一点上可以说明把物质内部潜在的丰富的结构性能充分地发掘出来了；这正如我们20世纪的30－40年代里，核裂变材料和核技术的发展和应用，把物质中潜在的能量成百万倍地开发了出来那样，将是材料科学的又一大飞跃！

可是，这种能直接“搬动”原子或分子，让它们俯首听命于我们的指挥的仪器我们上哪里去找呢？在这里，我们可以回到本文开头的量子隧道效应理论上。根据这个理论，科学家们在经过千辛万苦的辛勤探索后，1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的两位杰出的科学家葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（简称STM）。利用它的帮助，人们可以得到原子级的尺寸分辨率，平行和垂直于表面方向的分辨率分别可达0．1nm和0．01nm，单个的原子将被准确无误地分辨出来，并实时地得到在实空间的表面的三维图像。将扫描隧道显微镜应用到纳米科技研究中，在计算机计算、编程和控制下，通过真空的扫描隧道显微镜，可以操纵电子束使单晶硅等物质表面的原子受到激发而移动，从而可以“搬动”原子进行重新排列，这便是新颖的电子刻蚀技术。

利用电子刻蚀技术，“中国“这两个世界上最小的汉字已经被刻蚀了出来：每个字的尺寸仅有0．1nm，笔划的宽度只是几个硅原子，深度是3A。这么小的字，放大一千万倍，才像我们手写的”中国“两个字那么大！难怪日本NEC 公司的计划中写道：如果在21世纪初能把纳米材料制成的电脑存储器实用化，那么，400万页报纸刊载的内容，将可以轻松地存放在一张邮票那么大表面积的存储器里！作为纳米科技里的弄潮儿刘教授，在报告的过程中，给听众们显示了他亲自“书写”的世界上最小的“Grent wau”等精采绝伦的投影片，引起了满堂听众的极大兴趣。

纳米材料，以其独有的微观特性，在电子、催化、光纤、仿生以及超导等多方面都显示了强大的应用潜力。正是由于对物质的原子或分子尺寸的结构与性能关系的了解，物质内部潜在的丰富的结构特性才有可能被更加彻底地发掘。我们有理由相信，随着有关纳米科技的基础理论研究的突破性进展，种种纳米材料的神奇妙用将不再是神话。在新的世纪里，纳米材料将迅速从实验室里走出来，深入到生活的各个方面，实实在在地服务于人类社会。